Nichtlineare Optik zeitlich diskreter Systeme

• Antragsteller: Professor Dr. Ulf Peschel
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 259364470

Die Dynamik der Wellenausbreitung stellt im Zusammenspiel mit der nichtlinear getriebenen Selbstorganisation von Licht einen fundamentalen Aspekt moderner Optikforschung dar. In diskreten Systemen wird die Wellenausbreitung zum einen auf ihre wesentlichen Aspekte reduziert und zum anderen erfolgreichen Analysemethoden aus Quantenmechanik und Festkörperphysik zugänglich gemacht. Damit erhöhen sich die Chancen auch kompliziertere Prozesse der Licht-Materie-Wechselwirkung und der Selbstorganisation von Licht, besser zu verstehen. Die im Projekt untersuchten Phänomene betreffen daher nicht nur optische Systeme, sondern berühren allgemein Fragestellungen der nichtlinearen Dynamik, wie sie bei der Untersuchung von Bose-Einstein-Kondensaten, Plasmawellen oder Anregungen in komplexen Molekülstrukturen auftreten. Gewonnene Erkenntnisse sind damit universell und weit über konkrete optische Systeme heraus relevant. Das beantragte Projekt widmet sich konkret der experimentellen Untersuchung der nichtlinearen Evolution optischer Pulse in zwei gekoppelten Faserschleifen leicht unterschiedlicher Länge bei zeitabhängiger Phasen- und Amplitudenmodulation, ein Aufbau, der neuerdings auch bei der Untersuchung von Quantum Random Walks zur Anwendung kommt. Die Pulsevolution in diesem Aufbau erfolgt in diskreten Umläufen und ist auch in der Position der Pulse in jedem Umlauf diskretisiert. Die nichtlinearen Eigenschaften eines solchen doppelt diskreten zeitlichen Systems wurden bisher nicht untersucht und werden Gegenstand des hier beantragten Projektes sein. Darüber hinaus kann mit dem uns zur Verfügung stehenden Aufbau durch gezielte Manipulation von Phase und Amplitude während der Ausbreitung erstmalig ein PT-symmetrisches optisches System mit transversalen Freiheitsgraden realisiert werden, an dem wir im Rahmen des Projektes nichtlineare Experimente durchführen wollen. Ein besonderes Ziel ist der erstmalige experimentelle Nachweis von Solitonen in einem doppelt diskreten System und im Besonderen für PT-symmetrische Potentiale. Darüber hinaus soll ausgenutzt werden, dass in dem zu untersuchenden System die effektive Masse bzw. die Gruppengeschwindigkeitsdispersion in weiten Bereichen manipuliert werden kann und entsprechende Effekte extrem gut in ihrer Entwicklung verfolgt werden können. Ein weiterer Schwerpunkt des Projektes wird daher die experimentelle Untersuchung der nichtlinearen Wechselwirkung zwischen Feldern mit effektiven Massen unterschiedlichen Vorzeichens sein. Wir erwarten hier anomale Beschleunigungseffekte, eine invertierte Dämpfung und eine Selbsterhitzung des Gesamtsystems. Die im Projekt erzielten Ergebnisse sind nicht nur von fundamentalem Interesse für z.B. die Dynamik von Bose-Kondensaten oder Quantum Walks, sondern könnten auch für mehr angewandte Fragestellungen, wie die Superkontinuumsgeneration in photonischen Kristallfasern oder die Pulsevolution von Faserlasern von Interesse sein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen